TW201029169A - Image sensor and method for manufacturing the same - Google Patents

Description

201029169 六、發明說明： . 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種影像感測器及其製造方法，尤其是一種垂. 直整合電晶體與光電一極體的影像感測器及其製造方法。 【先前技術】 大體來說’影像感測n是將光學影像轉換成電子信號的半導 體裝置。影像感測器大致上分成電荷搞合器（charge c〇uple •ces CCDs)和互補型金屬氧化物半導體

metal Q oxide semiconductor’ CM0S)的影像感測器。互補型金屬氧化物半 導體的影像感測器的結構由一個將光信號轉換成電子信號的光電 二極體(phtodiode)區域與一個處理電子信號的電晶體(transist〇r)區 域所組成’並且光電二極體區域以及電晶體區域是被水平地配 置。在水平型態的影像感測器中，由於光電二極體區域與電晶體 區域被水平地配置於半導體基板上，所以對於在有限的面積中影 像感测部分(被稱為填充因子)的擴大有所限制。 ❹ 【發明内容】 、本發明之諸多實施例在於提供一種影像感測器及其製造方 法’此種影像及其製造方法可提供電晶體電路與光電二極 體的垂直整合。根縣發明之諸多實關’影像細^可包括： 包=買出電路的半導體基板；置於半導體基板上軸連線層與層 間二電層’喊線層輪讀㈣路；置位於介電層上方的影 像感_;位於影像感測裝置内的溝槽，溝槽對應於内連線層Γ 4 201029169 位於私侧壁上的緩衝層；位於緩衝層上的屏障随，屏障圖案 &擇f生地曝路4槽的底面；穿過影像感測裝置與位於屏障圖案下 •方的層電層之軌，通孔曝露互減結層；以及位於通孔中 的金屬接觸點。 根據本發明之料實施例，製紗像感卿財法包括：構 成讀取電路於半導縣板上；構軸連線層與賴介縣於半導 ❿體基板上’内連線層祕如電路；構成影縣職置於層間介 屯層上’構成遮罩於影像感啦置上，遮罩曝露對應於内連線層 的影像感難置；_遮罩當蝴遮罩赠成賴於影像感測裝 置中；利用構成溝槽時附加產生聚合物，以構成緩衝層於溝槽的 側壁上；構成一屏障圖案於該緩衝層上；利用屏障圖案構成通孔， 通孔曝露内連線層；以及構成金屬接觸點於通孔中。 根據本發明之影像感測器及其製造方法，由於垂直整合電晶 〇 體區域與光電二極體區域，使得影像感測器在有限的面積内填充因 子的不會有擴大的限制。 以上關於本發明的内容說明及以下之實施方式的說明係用以 • 示範與解釋本發明的精神與原理，並且提供本發明的專利申請範 - 圍更進一步的解釋。 【實施方式】 以下’根據諸多實施例，影像感測器及其製造方法將參照附 上的圖式詳細地描述。實施例不限制於互補型金屬氧化物半導體 5 201029169 影像感測n。舉例而言，實施例可以應用於所有制光電二極體 的影像感測器例如電荷耦合器影像感測器。 請參照「第η圖」，其係為根據本發明—實施例之影像感測. 器的剖面圖。依據本發明之實施例的影像感測器，其包括：包括 讀出電路ΐ2〇的半導體基板100，置於半導體基板1〇〇上的内連線 層150及層間介電層160,内連線層15〇轉接讀出電路12〇，置於 層間w電層160上的景多像感測裝置2〇〇,對應於内連線層⑼的溝 槽250 ’置於溝槽250側壁上的緩衝層26〇，置於緩衝層施上的❹ 屏障圖案275’屏障圖案27選擇性地曝露溝槽25〇的底面，穿過 影像感測裝置200與位於屏障圖案275下方的層間介電層⑽的 第二通孔285且第二通孔285⑽内連線層15〇以及位於第二通 孔285中金屬接觸點3〇〇。 影像感測裝置200包括第一摻雜層21〇、本質層22〇以及第二 摻雜層230 ’其中’第一摻雜層210、本質層220以及第二摻雜層 230堆疊在一起。溝槽250的底面可以曝露出第-摻雜層210。緩❹ 衝層26〇可以由聚合物所構成。舉例而言，緩衝層湖可以為一 ' 5物水δ物為姓刻溝槽250時產生的一附加產物。屏障圖案 275由ΟΝΟ層所構成。由於緩衝層26〇構成於溝槽25〇的側壁，‘ 因此影像感測農置200與屏障圖案275間的介面應力係被減到最 小，是以裝置的電性特性係被提升。 此外由於屏障圖帛275能夠僅被形成於溝槽25〇的側壁上， 6 201029169 因此&像感 /則裝置 200 的 pj]s^(p doped layer-intrinsic layer-N doped layer)h離是可行的，因此，能夠達到光電荷的一般信號輸出。 在「第11圖」中尚未解釋的參考數字將參照以下所附上說明 製造影像感測器方法的圖式加以描述。以下，根據諸多實施例， 影像感測器的方法將參照「第i圖」至「第u圖」加以描述。 參照「第1圖」，内連線層15〇與層間介電層16〇置於包括讀 出電路120的半導體基板1〇〇上。半導體基板1〇〇可為單晶或複 晶矽基板，且半導體基板100可摻雜p型的雜質或η型雜質。舉 例而言，裝置隔離層11〇構成於半導體基板1〇〇中以定義主動區 域。包括單位像素電晶體的讀出電路12〇係被形成於主動區域中。 5賣出電路可包括傳輸的電晶體、重新設置 的電晶體（reset transiStor，Rx)123、驅動的電晶體（drive transistor，Dx)125 與選擇的電晶體(seiect transistor,Sx)127。之後， ❹可以形成離子佈植區域丨3〇’其中離子佈植區域13〇包括漂移的擴 散區域(floating diffusion region，FD)131與每一個電晶體的源極/汲 極區域133、135與137。讀出電路120亦可以運用於三個或五個 電晶體結構。 構成於半導體基板100中的讀出電路120的步驟包括：構成 電連接區域140於半導體基板1〇〇中’與構成耦接内連線層15〇 的聚接觸(poly contact)147於電連接區域〗4〇上。舉例而言，電連 接區域140可為P-N型接面(P-N junction)，但是不以此為限。舉 7 201029169 例而言’電連接區域140可包括構成於第二傳導型井(conductive 响wdl)14i或第二傳導型取向層(c〇nductive咖麵遍 上的第-傳_離子舰層⑷，以及構成於第—料型離子佈植 層143上的第二傳導型離子佈植層145。舉例而言，如第丄圖所示， P-N型接面可為第二傳導型離子佈植層⑽第一傳導型離子佈 植層143/第二傳導型井141接面(即p__/p_接面），但不限於 此。半導體基板100可為第二傳導型，但不以此為限。 在本發明的諸多實施财，此裝置可被設計提供傳輸電晶體 的源極與及極間—位成差，藉此能夠充分傾瀉光電荷。因此，由 於產生於光電二鋪的光電荷被觸至漂㈣擴散區，是以輸出 影像的靈敏度係被提升。亦即，電連接區域14〇可構成於包括讀 出電路120的半導體基板中，以提供傳輸的電晶體121的源極與 汲極間-位能差’藉此能夠充分傾瀉光電荷(參照「第2圖」）。因 此，不像光電二極體簡單地耦接!^+接面的例子，舉例而言，在相 對的影像感廳巾，參照諸多實施例的影像制器可避免飽和區 減少與靈敏度下降。 ♦接觸147可構成於光電二極體與讀出電路12〇間以創造出 流暢的光電荷傳輸路徑，因此，暗電流源係被減至最小且阻止飽 和區減少與靈敏度下降亦變得可行。對此，依據本發明之諸多實 施例，N+摻雜區域可為聚接觸147，以作為電連接區域14〇之表 面的歐姆接觸。聚接觸147可穿過第二傳導型離子佈植層145而 201029169 與第一傳導型離子佈植層U3連接。 另一方面’聚_ 147的寬度可峨敍最小雜止聚接觸 1心成漏電源(leakage s〇urce)。對此，在本發明的諸多實施例中， 在第接觸栓151a的钱刻後，可以執行栓塞植入，但是不以此 為限。舉例而言’在離子佈植_構成後，雜夠卿離子佈植 圖案為離子佈植麟來構成聚接觸147。 換言之，為什麼N+摻雜基本上只局部地在接觸構成區域執 行的原因之—是在於為了將暗信號減至最小並促進歐姆接觸的構 成。如果整個Tx的源極區域都被讲摻雜，則由於石夕表面的懸空 ’所以暗信號可能會增加。上述的聚接觸147可 為第-傳導型連接區，亦可為N+摻雜區域，電連接區域14〇可為 Ρ0/Ν/Ρ接面’第—傳導型離子佈植層145可為洲層，第一傳導 型離子佈植層143可為Ν·層。

第3圖」其係為根據本發明另一實施例之讀出電路剖面圖。 如「第3圖」所示，Ν+連接區148可以被構成於電連接區域⑽ 的:端。參照「第3圖」’ Ν+連接區148在電連接區域14〇中以做 為歐姆連接。在這_狀況下漏電源可能會在Ν+連接區148與第 接觸技151a的構成的過程中產生。這是由於當逆偏壓應用於電 連接區域140時的操作，電場會產生於絲面。於接觸構成期間， 在電場中產生的結晶缺陷可能會變成漏電源。 此外，當N+連接區148構成於電連接區域14〇的表面時， 9 201029169 由於N+層/第二傳導型離子佈植層接面148/145，因此，可能會產 生額外的電場，這電場也可能會變成漏電源。也就是說，依據本 發明的諸多實施例，第一接觸栓151a構成於沒有摻雜第二傳導型 離子佈植層但包括N+連接區148的主動區域中，且第一接觸栓 IMa連接於第-傳導獅子佈植層143。因此，電場不會產生覆 蓋於半導體基板100的表面，這樣的電場可以將3D整合互補型金 屬氧化物半導體影像感測器的暗電流減少至最小。上述的電連接 區域140可為Ρ0/Ν-/Ρ-接面，第二傳導型離子佈植層145可為 層，第一傳導型離子佈植層143可為N-層。 參照「第1圖」，内連線層150與層間介電層16〇可構成於半 導體基板100上。内連線層150可包括第一接觸拴151a、第一金 屬(Ml)151、第·一金屬(M2)152以及第三金屬(M3)153，但是不以 此為限。構成第三金屬153後，絕緣層可以被沉積於第三金屬153 上，且絕緣層可以被平坦化以構成層間介電層16〇。因此，具有均 勻的表面輪廓的層間介電層160可以被暴露於半導體基板丨⑻上。 參照「第4圖」’影像感測裝置200構成於層間介電層16〇上。 影像感測裝置200可以為PIN二極體，其包括第一摻雜層⑼ 型)21〇，本質層(1型)220以及第二摻雜層(p型)23〇。舉例而言，影 像感測裝置200的第一摻雜層210可以藉由離子佈植N型雜質於 結晶载子基板的深區域(未繪示）中而被形成。其中，第二摻雜居 230可藉由離子佈植P型雜質於結晶載子基板的淺區域中而被形 201029169 成本貝層22〇構成於第一捧雜層no與第二摻雜層bo間。在 本發明的諸多本實施财，本㈣⑽有比第-摻雜層210與第 -摻雜層230大的區域。在這樣的狀況下還可以擴張空乏區 (depletion region)以增加光電子的產生。 接下來，在結晶載子基板的第一摻雜層210置於層間介電層 160上後，將執行結合的過程以縣載子基缺半導體基板100。 此後’具有氫氣層的載子基板·由熱處理或機械的衝擊而被移 除以曝露與層間介電層16〇結合的影像感測裝置上第二推雜 層230的表面。 口此，衫像感測裝置2〇〇可構成覆蓋於讀出電路，藉此增 加填充因子與避免影像感測裝置的缺陷_成。此外，影像 感測裝置200結合具有均勻表面輪廓的層間介電層膽以致於物 理鍵結強度達到最大值。 接下來，硬遮罩層240可構成於影像感測裝置2〇〇上。硬遮 罩層240可保護影像感測裝置200的表面。舉例而言，硬遮罩層 240可為二氧化矽或氮化矽。參照「第5圖」，光阻圖案1〇構成於 硬遮罩層240上。光阻圖案1〇可選擇性地曝露對應於第三金屬153 的硬遮罩層240。 利用光阻圖案10為餘刻遮罩以對硬遮罩245進行餘刻。硬遮 罩245曝露對應於第三金屬153的影像感測裝置2〇〇。雖然硬遮罩 245已構成，由於硬遮罩245與光阻圖案1〇的蝕刻比例，光阻圖 11 201029169 案10仍可以被保留。接著’利用光阻圖案10與硬遮罩245當蝕 刻遮罩進行蝕刻以構成溝槽250。舉例而言，可以利用以溴化氫與 氯氣為蝕刻氣體的蝕刻過程來構成溝槽25〇。溝槽25〇的底面可選 擇性地曝露影像感測裝置200中的第一摻雜層21〇。 亦即’對應於第三金屬153的第一摻雜層21〇可藉由溝槽25〇 的底面而選擇性地被曝露。由於溝槽250擴張到第—摻雜層21〇 一定的深度，溝槽250的側壁可以曝露全部的第二摻雜層23〇與 本質層220以及部分的第一摻雜層210。 ❹ 此外’當對影像感測裝置200實施蝕刻過程以構成溝槽25〇 時’緩衝層260亦可以構成於溝槽250的側壁。緩衝層26〇可以 是聚合物，聚合物為構成溝槽250時的附加產物。舉例而言，聚 合物具有鍵結結構如.破-碳单鍵、碳-氫鍵與氯-碳鍵。緩衝層Mo 為利用光阻圖案10與硬遮罩245為蝕刻遮罩的蝕刻過程中產生之 只附著於溝槽250侧壁的聚合物。更詳細地說，本實施例是於構 成溝槽250時施加一偏壓以使聚合物只附著於溝槽25〇的側壁，〇 進而構成缓衝層260。由於緩衝層260係僅被選擇性地構成於溝槽 的250的側壁，或是緩衝層260實質上僅被形成於溝槽的250的 側壁，因此用於隔離第一摻雜層210、本質層220與第二摻雜層 230之蝕刻過程所造成的電漿破壞可以被減少至最小。此外，緩衝 層260可將影像感測裝置200與之後構成的屏障層270間的接面 應力減少至最小。 12 201029169 " 參照「第6圖」，屏障層270沿著硬遮罩245的表面與包括溝 槽250及緩衝層260的影像感測裝置200構成。舉例而言，屏障 層270可由ONO (Oxide-Nitride-Oxide)構成。屏障層270可沿著溝 槽250的底面與溝槽250側壁上緩衝層260構成薄層。由於緩衝 層260構成於溝槽250的側壁，屏障層270與影像感測裝置2〇〇 間的介面應力可減至最小，藉此以提升電性特性。 參照「第7圖」，屏障圖案275構成於緩衝層260上。藉由在 屏障層進行全面的姓刻過程(blanket etching process)，屏障圖 案275可選擇性地只構成在對應於溝槽25〇侧壁的緩衝層26〇上。 因此’緩衝層260與屏障圖案275可以被構成於溝槽250的側壁， 且第一#雜層210可選擇性地被曝露於溝槽25〇的底面。 參照「第8圖」，藉由穿透影像感測裝置2〇〇的第一摻雜層21〇 形成第一通孔280。第一通孔280可選擇性地曝露層間介電層16〇 φ 的表面。舉例而言，藉由利用硬遮罩245和屏障圖案275為蝕刻 遮罩的蝕刻過程構成第一通孔28〇。利用以屏障圖案275為蝕刻遮 罩的餘刻雜’第-通孔28〇可選擇性地移除被曝露第—摻雜 210。 參照「第9圖」，第-通孔280往下延伸構成曝露第三金屬153 的第二通孔285。第二通孔285可藉由穿透層間介電層i6〇而選擇 ί·生地曝路第二金屬⑸的表面。舉例而言，可經由利用硬遮罩祕 與屏Ρ早圖案275為餘刻遮罩的姓刻過程來構成第二通孔285。因 13 201029169 此’本質層220與第二摻雜層230可被屏障圖案275覆蓋，且第 一摻雜層210與第三金屬153可藉由第一通孔280與第二通孔285 被曝露。 參照「第10圖」與「第11圖」’金屬接觸點3〇〇可構成於溝 槽250、第一通孔280以及第二通孔285中。第一摻雜層21〇可藉 由金屬接觸點300與第三内連線層15〇與讀出電路12〇電性連接。 在金屬層290覆蓋於影像感測裝置2〇〇以填充溝槽25〇、第一通孔 280與第二通孔285後’進行平坦化處理而構成金屬接觸點3〇〇。 舉例而言，金屬接觸點300可為如鶴、紹、鈦、祕太、氮化欽、 鈦/氮化鈦與銅的金屬材料之一。 金屬接觸點300可構成於第一通孔280與第二通孔285中， 以電性連接於第三金屬153與第—摻雜層加。此外，金屬接觸點 3〇〇藉由緩衝層細與屏障_奶而與進行影像感測裝置· 中的本質層220與第二摻雜層23〇電性絕緣。由於為了傳送於影 像感測裝置200產生的光電荷到讀出電路m的金屬接觸點獅 ?電:峨於第一摻雜層210,對影像感測器來說正常地輸出信號 疋可此的。換句話說，由於金屬接觸點藉由屏障圖案奶完 旦 's 210因此旎夠防止光電二極體短路。 〜Ϊ测裝置200可藉由一像素隔離層分成多個單位像素。 ，上電極 '觀輸触透射構《蓋於影像制裝置 201029169 200 上。 根據上述的本發明實闕，影像感職置構成於具有讀出電 路的半導體基板上’因此能夠增加填朗子。藉由構成一溝槽、 -穿透影佩聰置的觀與構絲於通孔巾絲職影像感測 裝置的電子mi出電_—金屬接義，光電荷的魏輸出可正 常地被執行。自祕_案可構献溝_繼贿衫鋪點 僅電性連接至影像感測裝置的第—摻雜層，因此影像感測輕可 以當作光電二極體操作。 此外，在形成溝槽時緩衝層可被構成於溝槽的侧壁以完成影 像感測裝置的聰隔離，因此屏障_與影像感職置間的介面 至最小，以諸域電與倾料紐雜係被提 ❹ 刻遮输_蝴姆，不需嫌的遮罩= 繼用糊咖_她細爾㈣ —雖然本發明以前述的較佳實施例揭露如上，然其並 :本ί:任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明的精神和I: 二 =些許的更動與潤飾，因此本發明的專利保護範園= 本祝月曰所附的申請專利範圍所界定者為準。 園而見 【圖式簡單說明】 =圖係為根據本發明—實施例之讀出電路剖面圖； 據本發明—實施例之讀出電路的電晶體源極與 15 201029169 汲極間位能差示意圖； · 第3圖係為根據本發明另一實施例之讀出電路剖面圖、 - 第4圖至第11圖係為根據本發明另一實施例之影像感測器及 其製造方法的製程順序。 °及 【主要元件符號說明】 1〇 :光阻圖案 100 :半導體基板 110 :裝置隔離層 120 :讀出電路 © 121 :傳輸的電晶體 123 :重新設置的電晶體 125 :驅動的電晶體 127 :選擇的電晶體 130 :離子佈植區域 131 :漂移的擴散區域 Θ 133、135、137 :電晶體構成的源極/汲極區域 140 :電連接區域 141 :第二傳導型井 143 :第一傳導型離子佈植層 145 :第二傳導型離子佈植層 147 :聚接觸 148 : N+連接區 16 201029169 150 :内連線層 151a :第一接觸栓 151 :第一金屬 152 :第二金屬 153 :第三金屬 160 :層間介電層 200 :影像感測裝置 210 :第一摻雜層 220 :本質層 230 :第二摻雜層 240 :硬遮罩層 245 :硬遮罩 250 :溝槽 260 :緩衝層 270 :屏障層 275 :屏障圖案 280 :第一通孔 285 ·•第二通孔 290 :金屬層 300 :金屬接觸點

Claims (1)

1. 201029169 七、申請專利範圍： 1. 一種影像感測器，包括： 一半導體基板，包括一讀出電路； 一内連線層及一層間介電層置於半導體基板上，該内連線層耦 接該言買出電路； 一影像感測裝置，位於該層間介電層上方； 一溝槽，該溝槽位於影像感測裝置内，且該溝槽對應於該内連 線層； 一緩衝層，該緩衝層位於該溝槽的側壁上； 一屏障圖案，該屏障圖案位於該緩衝層上，該屏障圖案選擇性 地曝露該溝槽的底面； 一通孔，該通孔穿過該影像感測裝置以及位於該該屏障圖案下 方的該層間介電層，該通孔曝露該内連線層；以及 一金屬接觸點，該金屬接觸點位於該通孔中。 2. 如請求項1所述之影像感測器，其中該影像感測裝置包括： 一第一摻雜層； 一本質層；以及 一第二摻雜層； 其中，該第一摻雜層、該本質層以及該第二摻雜層堆疊在一起 且該溝槽的底面曝露該第一摻雜層。 3. 如請求項1所述之影像感測器，其中該缓衝層為一聚合物所構 成。 4. 如請求項1所述之影像感測器，其中該屏障圖案為一 201029169 ONO(Oxide-Nitride-〇xide)層所構成。 5.—種製造影像感測器的方法，包括： 構成一項取電路於一半導體基板上. 構成-内連線層與-層間介電層於該半導體基板上，且該内連 線層搞接該讀出電路； 構成一影像感測裝置於該層間介電層上；

   構成一遮罩於該影像感測裝置上， 線層的該影像感測裝置； 該遮罩曝露出對應於該内連 利用該遮罩當一蝕刻遮罩 中； 以構成一溝槽於該影像感測裝置 利用構成該溝槽時附加產生一 槽的側壁上； 聚合物，以構成一緩衝層於該溝 構成一屏障圖案於該緩衝層上； ;以及 利用該屏障圖案構成―通7丨兮 再取逋孔，5亥通孔曝露該内連線層

   構成一金屬接觸點於該通孔中。 ’其中該溝槽與該缓衝 6.如請求項5叙製造影賴測器的方法 層的構成包括： 利用該光阻圖案為一蝕刻遮罩， 擇性曝露該影像感測裝置；以及 以構成一硬遮罩，該硬遮罩選 構成一硬遮罩層於該影像感測裝 構成一光阻圖案於該硬遮罩層上 連線層的該硬遮罩層； 置上； ’該光阻圖案曝露對應於該内 蝕刻遮罩，蝕刻該影像感測裝 利用該光阻圖案與該硬遮罩為一 19 201029169 置，且藉由附著一聚合物於該溝槽的側壁構成該緩衝層，該聚 -合物為構成該溝槽時一附加產物。 7. 如請求項5述之製造影像感測器的方法，其中為了構成該缓衝 層，一偏壓應用於姓刻過程。 8. 如請求項5述之製造影像感測器的方法，其中該屏障圖案的構 成包括. 沿著該緩衝層所構成的該溝槽表面，構成一屏障層於該影像感 測裝置上；以及 _ Q 執行一全面餘刻程序(blanket etching process)於該屏障層以曝 露該影像感測裝置的一上層表面與該溝槽的一底面。 9. 如請求項5述之製造影像感測器的方法，其中該屏障圖案為一 ΟΝΟ層所構成。 10. 如請求項5述之製造影像感測器的方法，其中該影像感測裝置 包括： 一第一摻雜層； 一本質層；以及 ❹ 一第二摻雜層； 其中，該第一摻雜層、該本質層以及該第二摻雜層堆疊在一起 且該溝槽的底面曝露該第一摻雜層。 - 20